УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЛЕНТОЧНО-КОЛОДОЧНОГО ТОРМОЗА Российский патент 1999 года по МПК F16D65/813 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ленточно-колодочных тормозах буровых лебедок.

Известен охлаждаемый ленточно-колодочный тормоз, в котором тормозная лента имеет сквозные прорези, а теплоотводящие элементы выполнены в виде пустотелых колодок, герметично соединенных через прорези ленты с тепловой трубой и установленных на ленте с возможностью радиального перемещения [1, аналог], данное устройство не позволяет регулировать и управлять количеством теплоты, генерируемой на поверхностях трения тормоза.

Ленточно-колодочный тормоз имеет охлаждающий элемент, выполненный в виде кольцевой упругой тепловой трубы с выпуклой внутренней поверхностью, установленной в контакте с вогнутой поверхностью во фрикционных накладках. При этом наружная поверхность тепловой трубки покрыта фрикционным эластичным материалом [2, прототип] . Тепловой трубе тяжело выйти на режим работы из-за слабой степени нагретости фрикционных накладок тормоза.

Цель изобретения - повышение долговечности пар трения ленточно-колодочного тормоза путем интенсивного их охлаждения.

Поставленная цель достигается тем, что охлаждающие узлы тормоза выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной (n-типа) и дырочной (p-типа) проводимостью, при этом термоэлементы выполнены в виде стержней, установленных в тело фрикционных накладок и проходящих через отверстия в тормозной ленте. Между термоэлементами по всей длине тормозной ленты на ее нерабочей поверхности установлена тепловая труба, имеющая прямоугольное сечение. Способ охлаждения тормоза состоит в том, что его охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, причем термобатареи, установленные на набегающей ветви тормозной ленты, работают в режиме термоэлектрохолодильника, а термобатареи, установленные на сбегающей ветви тормозной ленты, работают и режиме термоэлектрогенератора. При этом на набегающей ветви тормозной ленты термоэлемент с электронной (n-типа) проводимостью подсоединяют к положительной клемме источника постоянного тока, а термоэлемент с дырочной (p-типа) проводимостью - к отрицательной клемме источника постоянного тока для увеличения вырабатываемого термоэлектрогенераторами силы тока термоэлектрохолодильников, подключенных между собой параллельно. В дальнейшем отвод теплоты с холодных спаев термоэлектрогенераторов и горячих спаев термоэлектрохолодильников осуществляется с помощью тепловой трубы.

По сравнению с аналогом и прототипом предложенное техническое решение имеет следующие существенные отличительные признаки:
с увеличением теплонагруженности пар трения ленточно-колодочного тормоза наблюдается повышение эффективности охлаждения за счет резкого роста удельной электрической проводимости термоэлементов;
возможность управления тепловой нагруженностью пар трения ленточно-колодочного тормоза за счет использования термоэлектрогенераторов (сбегающая ветвь тормозной ленты) и тормоэлектрохолодильников (набегающая ветвь тормозной ленты) в интенсификационном процессе охлаждения;
достигается регулирование снижения теплонагруженности пар трения тормоза за счет подключения источника постоянного тока к термоэлементам фрикционных накладок набегающей ветви тормозной ленты, в результате чего обеспечивается почти одинаковая теплонагруженность фрикционных накладок тормоза;
применение для отвода теплоты с холодных спаев термоэлектрогенераторов и горячих спаев термоэлектрохолодильников эффекта тепловой трубки;
возможность использования термобатарей в любых климатических условиях;
повышается ресурс пар трения тормоза.

На фиг. 1 показан ленточно-колодочный тормоз с охлаждением; на фиг.2 - поперечный разрез А-А на фиг.1, на которой показано устройство для охлаждения пар трения ленточно-колодочного тормоза; на фиг.3 - поперечный разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 показана термобатарея-термоэлектрогенератор; на фиг.5 - термобатарея-термоэлектрохолодильник.

Ленточно-колодочный тормоз с устройством для охлаждения пар трения содержит тормозной шкив 1, с которым при торможении взаимодействуют фрикционные накладки 2. Последние крепятся с помощью усиков (не показаны) к тормозной ленте 3, имеющей набегающую 4 и сбегающую 5 ветви. В каждую фрикционную накладку 2 установлены два полупроводниковых стержня 6 и 7, пропущенные через отверстия 8 в ленте 3 и выступающие над ее нерабочей поверхностью 9. Между полупроводниковыми стержнями 6 и 7 находится по всей длине ленты 3 тепловая трубка 10 прямоугольного сечения. Тепловая трубка 10 выполнена из эластичного теплопроводного материала, заполнена на 2/3 объема теплоносителем, например метиловым спиртом, вакуумирована и герметизирована. Она имеет зоны испарения 11 и конденсации 12. Полупроводниковые стержни 6 и 7, обладающие различными типами проводимости, составляют термобатарею. Полупроводниковый стержень 6 имеет электронную (n-типа) проводимость, а стержень 7 - дырочную (p-типа) проводимость. Концы стержней 6 и 7 соединены между собой металлическим мостиком P (13), который установлен с зазором 14 до величины допустимого износа накладок 2. Это позволяет соединительному мостику 13 под действием веса стержней 6 и 7 скользить по рабочей поверхности шкива 1 за счет его приподымания по мере износа накладок 2. Соединительный мостик 13 является горячим спаем термобатареи. Два других конца полупроводниковых стержней 6 и 7 соединены внешней электрической цепью 15.

Способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза состоит в следующем. При торможении, когда фрикционные накладки 2 взаимодействуют с тормозным шкивом 1, в результате чего температура соединительного мостика 13 увеличивается по сравнению с температурой T₀ холодных концов стержней 6 и 7 (T > T₀), тепловая энергия атомов горячего конца полупроводников возрастает. Эта энергия выполняет работу перехода электронов в свободное состояние. В связи с этим в стержне 6 на горячем конце появляется больше свободных электронов и с более высокой тепловой энергией, чем на холодном. Поэтому они переходят к холодному концу, заряжая его отрицательно. По причине теплового движения атомов в стержне 7 некоторая часть электронов уносится из горячей зоны. На их месте появляются свободные (незанятые) места - дырки, обладающие положительным зарядом. Направление перемещения дырок как положительных зарядов совпадает с направлением электрического поля, поэтому их движение ускоряется. Занять освободившиеся места (дырки) могут электроны, имеющие близкие к дырке значения энергии. Но электроны, движущиеся претив электрического поля, замедляются и переходят в зону меньших скоростей, а на их месте образуются новые дырки. Таким образом, происходит перемещение дырок к холодному концу стержня 7, и он заряжается положительно. При замыкании электрической цепи 15 в ней появляется электрический ток, обусловленный именно разностью температур. Фактически имеет место эффект Зеебека, а сама термобатарея является термоэлектрогенератором. Термобатареи-термоэлектрогенераторы устанавливаются во фрикционные накладки 2 сбегающей ветви 5 тормозной ленты 3. При этом до начала торможения температура спаев термобатареи одинакова и равна температуре окружающей среды.

Если же наоборот по цепи, все элементы которой находятся в одинаковых температурных условиях (T = T₀), пропустить электрический ток в направлении, указанном на фиг.5, то свободные электроны, находящиеся в полупроводниковом стержне 6, приобретают направленное движение от спая к спаю причем это движение является замедленным, поскольку электроны тормозятся электрическим полем. Движение электронов от спая к спаю сопровождается переносом энергии. На спае электроны, отбирая энергию атомов, приобретают кинетическую энергию. На конце сталкиваясь с атомами кристаллической решетки полупроводника, они отдают энергию указанному спаю. В связи с этим спай охлаждается, а спай в нагревается. Причем скопление электронов на спае способствует тому, что этот спай заряжается отрицательно, а спай - положительно.

В стержне 7, обладающем дырочной проводимостью, направление электрического тока совпадает с направлением перемещения дырок: от спая к спаю Вследствие чего дырки ускоряются. Как отмечалось выше, образовавшиеся вакантные места могут занять электроны с уровнем энергии, близким энергии дырки. Поэтому наиболее интенсивное движение электронов наблюдается у спая Здесь электроны, сталкиваясь с атомами, повышают их внутреннюю энергию, расходуемую на нагревание этого спая. По мере передвижения от спая к спаю вдоль ветви термоэлемента 7 энергия электронов уменьшается и дальнейшее их перемещение сопровождается за счет внутренней энергии атомов, вследствие чего спай охлаждается. Скопление электронов на этом спае обуславливает его отрицательный заряд, при этом спай заряжен положительно. Таким образом, пропускание постоянного электрического тока (постоянного) через термобатарею приводит к перепаду температур на ее спаях. На спае поглощается теплота, называемая теплотой Пельтье, на спае наблюдается выделение теплоты. Если от горячего спая термобатареи постоянно отводить теплоту, то на холодном ее конце получаем очень низкие температуры. Таким образом, получили термобатареи-термоэлектрохолодильники, которые устанавливаются во фрикционные накладки 2 набегающей ветви 4 тормозной ленты 3. При этом источник постоянного электрического тока подключен к ветвям термоэлементов набегающей ветви 4 тормозной ленты 3 таким образом, чтобы стержень 6 с электронной проводимостью был соединен с его положительной клеммой (фиг.2), а стержень 7 с дырочной проводимостью - с отрицательной. При прохождении электрического тока спай охлаждается, а спай нагревается, т.е. еще до начала работы тормоза температура поверхности трения фрикционных накладок 2 набегающей ветви 4 тормозной ленты 3, в которые установлены термобатареи-тормоэлектрохолодильники, становится ниже температуры окружающей среды.

Управление ленточно-колодочным тормозом осуществляется посредством рычага 16.

Ленточно-колодочный тормоз с устройством и способом охлаждения работает следующим образом. При нажатии на рычаг 16 происходит перемещение тормозной ленты 3 с фрикционными накладками 2 для взаимодействия с рабочей поверхностью тормозного шкива 1. Первыми при этом взаимодействуют со шкивом 1 накладки 2 набегающей ветви 4 тормозной ленты 3, а потом уже - сбегающей ветви 5. При торможении температура соединительного мостика 13 за счет трения скольжения повышается, вследствие чего на спаях термобатареи сбегающей ветви 5 ленты 3 появляется градиент температуры по длине термоэлемента 6, что обуславливает возникновение электрического тока, который отводится в цепь 14, подключенную параллельно источнику питания термобатарей набегающей ветви 4 ленты 3. Этим достигается увеличение силы тока, подаваемого на ветви термоэлектрохолодильника. При этом с увеличением нагруженности ленточно-колодочного тормоза возрастает температура его поверхностей трения, рост которой с целью обеспечения регламентируемых эксплуатационных параметров тормоза необходимо ограничить. Интенсификация же данного вида охлаждения достигается увеличением силы тока, подаваемого на ветви термоэлектрохолодильника. Таким образом, чем более нагружен тормоз, тем большая разность температур появляется на спаях термоэлектрогенераторов сбегающей ветви 5 ленты 3, тем большей силы ток он вырабатывает, который, суммируясь с током источника питания, способствует более глубокому охлаждению поверхностей трения фрикционных накладок 2 набегающей ветви 4 ленты 3.

Отвод теплоты с холодных спаев термоэлектрогенератора и горячих спаев термоэлектрохолодильника осуществляется с помощью тепловой трубки 10. Теплота передается от термоэлементов 6 и 7 зоне испарения 11, т.е. непосредственно теплоносителю, который, нагреваясь, превращается в пар и перемещается в зону конденсации, а затем возвращается снова в зону испарения 11. В дальнейшем циклы в тепловой трубке 10 повторяются.

Интенсивное охлаждение пар трения ленточно-колодочного тормоза позволяет повысить его эксплуатационные параметры, снизить термические напряжения в тормозном шкиве, а также увеличить ресурс пар трения.

Источники информации
1. Авт.св. 1004684 (СССР), F 16 D 65/813, 1983, б.и. N 10 (аналог).

2. Авт.св. 1613736 (СССР), F 16 D 49/08, 1990, б.и. N 46 (прототип).

Устройство для охлаждения ленточно-колодочного тормоза может быть использовано в буровых лебедках. Устройство содержит охлаждающие узлы, расположенные на набегающей и сбегающей ветвях тормозной ленты с фрикционными накладками. Устройство содержит также тепловую трубу, расположенную по всей длине тормозной ленты на ее нерабочей поверхности и связанную с упомянутыми охлаждающими узлами с возможностью отвода теплоты от охлаждающих узлов. Охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде стержней, установленных в теле фрикционных накладок и проходящих через отверстия в тормозной ленте. Способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза состоит в том, что на набегающей ветви тормозной ленты термоэлемент с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме источника постоянного тока, а термоэлемент с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме источника постоянного тока для увеличения вырабатываемого термоэлектрогенераторами силы тока термоэлектрохолодильников. Достигаемый технический результат состоит в повышении долговечности пар трения тормоза. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для охлаждения ленточно-колодочного тормоза, содержащее охлаждающие узлы, расположенные на набегающей и сбегающей ветвях тормозной ленты с фрикционными накладками, тепловую трубу, расположенную по всей длине тормозной ленты на ее нерабочей поверхности и связанную с упомянутыми охлаждающими узлами с возможностью отвода теплоты от охлаждающих узлов, отличающееся тем, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, при этом указанные термоэлементы выполнены в виде стержней, установленных в теле фрикционных накладок и проходящих через отверстия в тормозной ленте. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тепловая труба имеет прямоугольное сечение. 3. Способ охлаждения ленточно-колодочного тормоза, содержащего тормозную ленту, включающую в себя набегающую и сбегающую ветви, на которых расположены охлаждающие узлы, отличающийся тем, что охлаждающие узлы выполнены в виде термобатарей, состоящих из термоэлементов с электронной и дырочной проводимостью, причем термобатареи, установленные на набегающей ветви тормозной ленты, работают в режиме термоэлектрохолодильника, а термобатареи, установленные на сбегающей ветви тормозной ленты, работают в режиме термоэлектрогенератора, что на набегающей ветви тормозной ленты термоэлемент с электронной проводимостью подсоединяют к положительной клемме источника постоянного тока, а термоэлемент с дырочной проводимостью - к отрицательной клемме источника постоянного тока для увеличения вырабатываемого термоэлектрогенераторами силы тока термоэлектрохолодильников. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что отводят теплоту от холодных спаев термоэлементов, работающих в режиме термоэлектрогенераторов, и от горячих спаев термоэлементов, работающих в режиме термоэлектрохолодильников, с помощью тепловой трубы.